Раздел 1. Инструментальные материалы

ЛЕКЦИИ ПО КУРСУ

РЕЗАНИЕ МАТЕРИАЛОВ

Перечень тем по резанию материалов
(кликните на теме для предварительного просмотра в уменьшенном виде или скачайте все)

Раздел 1. Инструментальные материалы

1. Классификация инструментальных сталей по свойствам
2. Марка и химический состав стали углеродистой инструментальной по ГОСТу 1435-75
3. Марки и химический состав быстрорежущих сталей по ГОСТу 19265-73
4. Схема термической обработки быстрорежущей стали Р6М5
5. Твердость инструментальных сталей в зависимости от температуры отпуска и испытаний
6. Шкала для определения величины зерна инструментальных сталей
7. Марки порошковой стали и химический состав по ГОСТу 28398-89
8. Состав и основные физико-механические свойства вольфрамокобальтовых сплавов
9. Состав и основные физико-механические свойства сплавов ТК и ТТК по ГОСТу 3882-74
10. Физико-механические свойства сплавов серии МС
11. Эксплуатационные свойства сплавов
12. Состав и основные физико-механические свойства СТСБ по ГОСТу 26530-85
13. Соответствие отечественных твердых сплавов и керамических материалов классификации ИСО
14. Теплостойкость инструментальных материалов и допустимая скорость резания инструментами из них
15. Сменные многогранные пластины с износостойкими покрытиями
16. Твердость легированной инструментальной стали по ГОСТ 5950-73

Раздел 2. Кинематические элементы и характеристики резания

1. Элементы движений в процессе резания при обтачивании
2. Элементы движений в процессе резания при периферийном фрезеровании
3. Элементы движений в процессе резания
4. Поверхность резания и поверхность главного движения
5. Формообразование обрабатываемой поверхности

Раздел 3. Геометрические параметры инструментов, форма и размеры срезаемого слоя

1. Элементы резания при продольном точении
2. Сечение срезаемого слоя
3. Геометрические элементы инструментов
4. Координатные плоскости и угловые параметры резца
5. Трансформация геометрических параметров резца
6. Элементы конструкции метчика
7. Геометрические параметры метчика
8. Элементы резания метчиком
9. Элементы конструкции и геометрические параметры протяжки
10. Стружкообразование при протягивании
11. Элементы резания при протягивании
12. Углы лезвия резца в процессе резания
13. Углы наклона главной режущей кромки резца
14. Влияние установки вершины лезвия по отношению к оси заготовки на его главные углы
15. Схема изменения углов в плане в зависимости от установки резца относительно оси заготовки

Раздел 4. Стружкообразование при резании материалов

1. Пластическая деформация металла (основные виды деформированного состояния)
2. Пластическая деформация металла (деформации простого сдвига)
3. Механика образования стружки: по И. А. Тиме, Я. Г. Усачеву и А. М. Розенбергу
4. Типы стружек
5. Процесс образования сливной стружки
6. Процесс образования сливной стружки
7. Механика образования сливной стружки
8. Механика образования сливной стружки
9. Процесс образования элементной стружки
10. Процесс образования нароста
11. Процесс образования нароста: микрофотографии зон резания и вдавливание пуансона (Я. Г. Усачеву)
12. Резание с наростообразованием
13. Процесс образования нароста
14. Наростообразования при резании маталлов
15. Изменение формы и размеров стружки по сравнению со срезаемым слоем
16. Деформация срезаемого слоя
17. Деформации срезаемого слоя
18. Деформации срезаемого слоя
19. Деформации срезаемого слоя
20. Деформации срезаемого слоя
21. Контактные процессы на передней поверхности лезвия
22. Контактные процессы на поверхностях лезвия
23. Взаимосвязь явлений в процессе резания
24. Взаимосвязь явлений в процессе резания
25. Качество обработанной поверхности
26. Качество обработанной поверхности
27. Качество обработанной поверхности
28. Качество обработанной поверхности

Раздел 5. Завивание стружки и стружколомание при точении

1. Естественное завивание стружки (свободное резание)
2. Естественное завивание стружки (свободное резание)
3. Искусственное завивание при помощи лунки
4. Искусственное завивание при помощи накладного стружколома
5. Завивание стружки и стружколомание при точении
6. Оценка степени дробления стружки
7. Стружколомание при помощи сферических лунок

Раздел 6. Обработка металлов резцами

1. Классификация резцов
2. Токарные проходные резцы
3. Токарные резцы
4. Конструкция и характеристики однокристальных алмазных инструментов
5. Токарный расточный резец для обработки глухих отверстий
6. Токарный отрезной резец
7. Токарный расточный резец для обработки сквозных отверстий
8. Отрезные резцы
9. Резец с углом 90°
10. Формы заточки резцов из быстрорежущих сталей
11. Формы заточки твердосплавных резцов
12. Формы заточки твердосплавных резцов
13. Влияние угла наклона главной режущей кромки на направление отходящей стружки (t > S)
14. Соприкосновение заготовки с резцом при прерывистом резании
15. Соприкосновение заготовки с резцом: при +l и –l

Раздел 7. Силы резания при точении металлов

1. Свободное резание
2. Несвободное резание
3. Сила стружкообразования (свободное резание)
4. Теоретическое уравнение силы резания
5. Экспериментальное определение сил (динамометры)
6. Экспериментальное определение сил (конструкции динамометров)
7. Экспериментальное определение сил (получение формулы)
8. Влияние некоторых факторов на силы резания Px, Py и Pz при точении
9. Влияние некоторых факторов на силы резания при точении
10. Силы резания. Сверление
11. Силы резания. Фрезерование

Раздел 8. Теплота и температура в зоне резания

1. Источник образования тепла. Работа резания
2. Зоны генерирования тепла
3. Отвод тепла из зоны резания
4. Количество тепла, генерируемое и различных зонах (в % от Q)
5. Средняя температура стружки
6. Температурное поле на передней поверхности резца
7. Измерение температуры в зоне резания (калометрический метод). Наблюдение цветов побежалости стружки
8. Измерение температуры в зоне резания (специальные термокраски). Термоиндикаторы плавления
9. Измерение температуры в зоне резания (термопары)
10. Общая зависимость температуры
11. Влияние некоторых факторов на температуру при точении в зоне резания (по А. М. Даниеляну)
12. Влияние некоторых факторов на температуру при точении в зоне резания (по А. М. Даниеляну)

Раздел 9. Износ режущего инструмента

1. Причины износа
2. Основные виды износа. Резец
3. Износ резца по передней поверхности (лунка износа)
4. Критерии износа резцов (критерий блестящей полоски)
5. Критерии износа резцов (силовой критерий)
6. Критерии износа резцов (критерий оптимального износа)
7. Износ режущего инструмента. Сверло

Раздел 10. Скорость резания

1. Зависимость «скорость — стойкость»

Раздел 11. Смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС)

1. Классификация СОТС
2. Способы подвода СОЖ в зону резания

Раздел 12. Вибрации при резании материалов

1. Классификация вибраций (колебаний)
2. Влияние факторов на интенсивность вибраций

Раздел 14. Резьбонарезание

1. Нарезание резьбы профильными резьбовыми резцами
2. Геометрические параметры профильного резьбового резца
3. Предварительное нарезание резьбы
4. Нарезание резьбы резьбовыми гребенками и метчиками
5. Нарезание резьбы плашками
6. Нарезание резьбы самооткрывающимися резьбовыми головками
7. Формирования профиля резьбы
8. Нарезание резьбы фрезами
9. Геометрические параметры резьбовых фрез
10. Особенности физических явлений при резьбонарезании

 

Понятия о системе резания как о совокупности одновременно совершаемых взаимосвязанных процессов

Углы режущего инструмента.

 

 

Углы рассматриваются в трех системах координат:

- инструментальной (ИСК);

- статической (ССК);

- кинематической (КСК).

Инструментальная система – прямоугольная система координат с началом в вершине режущего инструмента и ориентированная относительно поверхностей инстру­мента принятых за базу. Применяется для изготовления, заточки и контроля инструмента.

Статическая система – прямоугольная система координат с началом в рассматриваемой точке режущей кромки и ориентированная относительно направления вектора скорости главного движения (V). Применяется для приближенных расчетов углов инструмента и для учета их изменения при установке инструмента на станок.

Кинематическая система – прямоугольная система координат с началом в рассматриваемой точке режущей кромки и ориентированная относительно направления вектора скорости результирующего движения (V_e).

Для определения углов рассматривают следующие плоскости:

1. Основная плоскость P_v – плоскость, проведенная через рассматриваемую точку режущей кромки перпендикулярно к направлению вектора скорости главного движения (V) (в ССК) или результирующего движения резания (V_e) (в КСК). В инструментальной системе координат за направление вектора скорости резания принимается перпендикуляр к конструкторской установочной базе резца (прямоугольного сечения). Основную плоскость в инструментальной системе координат будем обозначать Рvи, в статической - P_VС, в кинематической - P_VК.

2. Плоскость резания P_n – плоскость, касательная к главной режущей кромке в рассматриваемой точке и перпендикулярная основной плоскости (соответственно - P_nи, P_nс, P_nк).

3. Главная секущая плоскость P_t - плоскость, перпендикулярная линии пересечения основной плоскости и плоскости резания (перпендикулярная проекции главной режущей кромки на основную плоскость) (соответственно – Рτи, Рτс, Рτк).

4. Вспомогательная секущая плоскость P_t1 – плоскость, перпендикулярная проекции вспомогательной режущей кромки на основную плоскость (соответственно – Рτ1и, Рτ1с, Рτ1к).

5. Рабочая плоскость P_s – плоскость, в которой расположены векторы скоростей главного движения и движения подачи. В ИСК это плоскость III – III, перпендикулярная плоскостям I – I и II - II.

Углы резца разделяются на главные (измеряются в главной секущей плоскости), вспомогательные углы (измеряются во вспомогательной секущей плоскости) и углы в плане (измеряются в основной плоскости).

К главным углам относятся:

g - передний угол;

a - главный задний угол;

d - угол резания;

b - угол заострения.

К вспомогательным углам относятся:

g₁ – вспомогательный передний угол;

a­₁ – вспомогательный задний угол.

К углам в плане относятся:

j - главный угол в плане;

j₁ – вспомогательный угол в плане;

e - угол при вершине.

Кроме того, рассматривают угол наклона главной режущей кромки l, который измеряется в плоскости резания.

В различных системах координат определение углов аналогичны – углам и плоскостям, которые их образуют и в которых они рассматриваются, присваивается обозначение системы координат, например g_и, g_с, g_к и т.п.

Передний угол g - угол между основной плоскостью и передней поверхностью инструмента (может быть положительным, отрицательным или равным нулю);

главный задний угол a - угол между плоскостью резания и главной задней поверхностью;

угол резания d - угол между передней поверхностью и плоскостью резания;

угол заострения b - угол между передней и главной задней поверхностями;

главный угол в плане j - угол между плоскостью резания и рабочей плоскостью;

вспомогательный угол в плане j­­₁ – угол между проекцией вспомогательной режущей кромки на основную плоскость и рабочей плоскостью;

угол при вершине e - угол между проекциями главной и вспомогательной режущих кромок на основную плоскость.

угол наклона главной режущей кромки l - угол между главной режущей кромкой и основной плоскостью;

вспомогательный задний угол a₁ - угол между вспомогательной задней поверхностью и перпендикуляром к основной плоскости.

 

 

Рассмотрим конструктивные элементы и геометрию спирального сверла.

 

 

Рис.9 Конструкция спирального сверла

Конструктивные элементы сверла(рис.9):

l – рабочая часть, включающая в себя режущую и направляющую части; l₁ - режущая часть, имеющая главные режущие кромки 3; l ₂ – направляющая часть, имеющая ленточки 5 и стружечные винтовые канавки и служит для направления сверл в отверстие; l ₃ – крепежная часть (состоит из шейки 7, хвостовика8, лапки 9); 1 – передняя поверхность; 2 – главная задняя поверхность; 3 – главная режущая кромка; 4 – поперечная кромка (перемычка) – определяет жесткость и прочность сверла и отрицательно сказывается на процесс сверления из-за отрицательного переднего угла на данной кромке; 5 – ленточка, часть которой (длиной ) служит вспомогательной режущей кромкой (6).

К геометрическим параметрам сверла относятся (рис. 10):

2j - двойной угол в плане при вершине - это угол, заключенный между проекциями главных режущих кромок на плоскость, проходящую через ось сверла параллельно главным режущим кромкам ( =118-120^о);

w - угол наклона винтовой канавки – это угол между касательной к винтовой канавке и осью сверла (w=18-30°);

y - угол наклона поперечной кромки – это угол между проекциями главной режущей кромки и поперечной кромки на плоскость перпендикулярную оси сверла (y=50 - 55°).

 

 

Форма передней поверхности

 

 

Передняя поверхность оформляется в двух вариантах – плоской и криволинейной (рис.20).

1) Плоская форма передней поверхности применяется для обработки твердых и хрупких материалов (чугун, бронза и др.).

 

Рис.20 Форма передней поверхности резцов

 

2) Криволинейная - для обработки вязких и мягких материалов (сталь и др.). Выкружка (канавка) радиусом R предназначена для завивания стружки.

Для упрочнения режущего клина на передней поверхности инструмента делается фаска . Для твердосплавного инструмента фаска располагается под отрицательным углом (), для быстрорежущего – под положительным или равным нулю.

 

Инструментальные материалы

 

Наибольшее влияние на эффективность процессов механической обработки резанием оказывает совершенствование свойств инструментальных материалов.

Появление в конце XIX века быстрорежущих сталей с теплостойкостью 550 – 640 ^оС оказало сильное влияние на совершенствование станочного оборудования и повышение производительности обработки. Использование быстрорежущего инструмента позволило повысить скорость резания от 10 – 25 м/мин до 60 – 80 м/мин и разработать металлорежущие станки нового поколения, способных развивать частоту вращения шпинделя до 400 – 600 об/мин. Разработка в 20-30 годы 20-го столетия твердых сплавов с твердостью в 1,5 – 2 раза выше твердости быстрорежущих сталей и теплостойкостью 700 – 1100 ^оС способствовало повышению скорости резания до 100 – 450 м/мин, стимулировало создание нового поколения металлорежущих станков с частотой вращения шпинделя до 3000 об/мин. В 40-70 годы 20-го столетия металлообрабатывающая промышленность развитых стран мира стала использовать высокопроизводительные инструментальные материалы высокой твердости и теплостойкости на основе режущей керамики, алмазов и кубического нитрида бора. Применение инструмента, оснащенного этими инструментальными материалами, позволило увеличить скорости резания до 1000 м \мин и выше. Возможность использования столь высоких скоростей резания потребовала разработки принципиально новых конструкций металлорежущих станков, оснащенных шпиндельными узлами, способных обеспечить частоту вращения 10000 об/мин и больше.

Современная металлообрабатывающая промышленность широко использует дорогостоящее автоматизированное оборудование, управляемое от ЭВМ. Эксплуатация такого оборудования характеризуется резким ростом стоимости станкоминуты, ужесточением условий эксплуатации режущего инструмента, увеличением расхода инструментального материала и затрат на инструмент, составляющий в ряде случаев до 10-15% (а при многоинструментальных наладках на многошпиндельных станках, а также при применении дорогого инструмента – до 50%) расходов на механообработку. Таким образом, повышение режущих свойств инструмента при высокой вероятности его безотказной работы (высокой эксплуатационной надежности), интенсификация резания являются важнейшими резервами повышения эффективности автоматизированных металлообрабатывающих производств.

 

Требования, предъявляемые к инструментальным материалам

 

В процессе выполнения своих функций контактные площадки инструмента подвергаются интенсивному воздействию высоких контактных напряжений и температур, значения которых имеют переменный характер, а взаимодействие с обрабатываемом материалом и реагентами из окружающей среды приводит к протеканию интенсивных физико-химических процессов (адгезии, диффузии, окисления и коррозии).

Учитывая необходимость сопротивления контактных площадок режущего инструмента микро- и макроразрушению в указанных условиях рассмотрим требования, предъявляемые к инструментальному материалу.

Для того чтобы режущий клин инструмента, не деформируясь, мог срезать слой обрабатываемого материала, твердость инструментального материала должна значительно превосходить твердость обрабатываемого материала. Поэтому одним из основных требований, предъявляемых к инструментальному материалу, является его высокая твердость.

Высокие механические нагрузки на режущий клин инструмента требуют, чтобы инструментальный материал обладал достаточной механической прочностью. Режущий клин инструмента должен выдерживать высокие напряжения без хрупкого разрушения и заметного пластического деформирования. Так как инструмент может работать в условиях знакопеременных (циклических) нагрузок (прерывистое резание, непрерывное резание с переменным припуском или твердыми включениями на поверхности заготовки и т.д.), поэтому, желательным требованием к инструментальному материалу, наряду с механической прочностью на сжатие и изгиб, является высокая сопротивляемость разрушению при знакопеременном нагружении (высокий предел выносливости).

В процессе резания контактные площадки инструмента подвергаются высокому температурному воздействию (до 800-1000 ^оС), что может привести к температурному разупрочнению и потере твердости инструментального материала. Поэтому следующим важным требованием к инструментальному материалу является его способность сохранять свою твердость и прочностные характеристики при повышенных температурах, соответствующих температурам резания. Обычно это свойство инструментального материала называют теплостойкостью, которая является важнейшим показателем качества инструментального материала. С учетом необходимости использования инструмента в условиях периодического изменения температуры (например, прерывистое резание) инструментальный материал должен быть малочувствительным к циклическим температурным изменениям.

Важным условием нормальной работы инструмента является снижение вероятности появления локальных термических напряжений на контактных площадках инструмента. Такая вероятность снижается по мере роста теплопроводности инструментального материала. Поэтому последний должен обладать достаточной теплопроводностью.

Весьма важным свойством инструментального материала является его способность сопротивляться истиранию при контактном взаимодействии с обрабатываемом материалом. Поэтому инструментальный материал должен иметь высокую износостойкость.

Наряду с требованиями к физико-механическим и теплофизическим свойствам инструментального материала, необходимым условием достижения достаточно высоких режущих свойств инструмента является низкая физико-химическая активность инструментального материала по отношению к обрабатываемому. Поэтому кристаллохимические свойства инструментального материала (геометрические и структурные особенности кристаллического строения, теплофизические свойства, структурные и термодинамические особенности фазового состава и т.д.) должны существенно отличаться от соответствующих свойств инструментального материала. Степень такого отличия сильно влияет на интенсивность физико-химических процессов (адгезионно-усталостные, коррозионно-окислительные и диффузионные процессы), и изнашивание контактных площадок инструмента.

Физико-химические, теплофизические и кристаллохимические свойства инструментального материала сильно влияют на работоспособность режущего инструмента, а оптимальный выбор сочетания этих свойств позволяет в известных пределах управлять процессами изнашивания инструмента, трансформировать один механизм изнашивания в другой, снижать интенсивность изнашивания контактных площадок инструмента. Например, при постоянных значениях геометрических параметров инструмента и режимов обработки, рост таких свойств инструментального материала как твердость, теплостойкость, прочность, пассивность по отношению к обрабатываемому материалу и активным реагентам из окружающей среды, приводит к росту износостойкости контактных площадок инструмента, и соответствующему увеличению его работоспособности. Однако большинство физико-механических и теплофизических свойств инструментального материала неоднозначны, так как улучшение одного из них, ведет к ухудшению других.

 

Быстрорежущие стали

Доля режущего инструмента из быстрорежущей стали (в общем объёме режущего инструмента) составляет до 70%.

Повышенная теплостойкость данных сталей предопределяется введением в их состав легирующих элементов (W, Mo, Cr, V и Co), образующих сложные карбиды, которые связывает практически весь углерод. Поэтому коагуляция карбидов происходит при повышенных температурах и теплостойкость стали повышается до 580…700 ^оС. Высокая твёрдость быстрорежущих сталей (63…70 HRC_э), прочность на изгиб и сжатие связаны с превращением (переходом) остаточного аустенита в мартенсит, а также с дисперсионным упрочнением сталей в результате выделения карбидов, не растворившихся при закалки. Быстрорежущие стали обозначаются буквами, соответствующие карбидообразующим и легирующим элементам (В-вольфрам, М-молибден, Ф-ванадий, А-азот, К-кобальт). За буквой следует цифра, обозначающая среднее массовое содержание элемента в процентах. Цифра, стоящая в начале обозначения стали, указывает содержание углерода в десятых долях процента.

По уровню теплостойкости быстрорежущие стали делятся на три группы:

1. Стали нормальной теплостойкости – вольфрамовые быстрорежущие (Р18, Р9, Р12) и вольфрамомолибденовые быстрорежущие стали (Р6М5,Р8М3). 2.Стали повышенной теплостойкости – вольфрамокобальтовые быстрорежущие (Р9К5, Р9К10, Р6М5К5), вольфрамованадивые быстрорежущие стали (Р12Ф3, Р6М5Ф3). 3. Стали высокой теплостойкости (В11М7К23, В14М7К25).

Быстрорежущие стали нормальной теплостойкости. Стали данной группы имеют твердость в закаленном состоянии 63-65 НRС_э, предел прочности при изгибе 2,9-3,4 ГПа, ударную вязкость 2,7-4,8 Дж/м², теплостойкость 620-630^оС (табл. 3). Указанные в табл.3 марки сталей получили наиболее широкое распространение для изготовления режущего инструмента. Режущие инструменты, изготовленные из сталей нормальной теплостойкости, используются при обработке заготовок из конструкционных сталей, чугунов, цветных сплавов и конструкционных пластмасс. Применяются стали дополнительно легированные азотом, например, Р6АМ5, которые являются модификациями обычных быстрорежущих сталей. Легирование азотом повышает твердость стали и режущие свойства инструмента.

 

Таблица 3. Некоторые свойства быстрорежущих сталей нормальной

теплостойкости.

Марка стали	г/см3	Твердость	После закалки	Температура, оС	Тепло-стойкость, оС
После отжи-га, НВ	После закалки и отпус-ка, НRСэ	,МПа	105, Дж/м2	Закал-ки	Отпус-ка
Р18	8,75			2,9-3,1	3,0
Р9	8,3			3,35	2,0
Р6М5; Р6АМ5	8,15			3,3-3,4	4,8
11Р3АМ3Ф2	7,9			2,9-3,1	4,5
Р6М5Ф3	8,15			-	4,0
Р12Ф3	8,39			3,0-3,1	2,7
Р9К5	8,25			2,5	0,7
Р6М5К5	8,15			3,0	2,75
Р9М4К8	8,3			2,5	2,6

Быстрорежущие стали повышенной теплостойкости. Повышение износостойкости и теплостойкости быстрорежущих сталей достигается дополнительным легированием их ванадием и кобальтом с соответствующим изменением содержания углерода (табл. 4, 5).

 

Таблица 4. Некоторые составы высокованадиевых сталей.

Марка стали	Химический состав, % (масса)
С	W	Мо	Сr	V
Р12Ф4 Р6М5Ф3 Р6М5Ф4	1,27 1,2 1,3	5,8 5,8	до 1 5,0 5,0	4,0 4,2 4,2	4,0 3,0 4,0

 

Стали данной группы характеризуются повышенным содержанием углерода. Твердость сталей в закаленном состоянии достигает 65-67 НRC_э, теплостойкость сталей – 640-650^оС. Инструменты, изготовленные из сталей повышенной теплостойкости, используются при обработке заготовок из жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, а также конструкционных сталей повышенной прочности.

При легировании 2,5…5% ванадия и увеличением содержания на каждые 1% ванадия 0,2% углерода, в стали образуется повышенное количество карбидов вольфрама (типа Ме₆С), которые практически не растворяются при нагреве под закалку. Наличие в стали после закалки и отпуска ванадиевых карбидов аналогичного типа обеспечивает изготовленному из нее инструменту повышенную износостойкость. Наиболее распространенной маркой этой группы является сталь Р6М5Ф3.

Наряду с высокой износостойкостью, ванадиевые стали обладают плохой шлифуемостью из-за присутствия карбидов ванадия, так как твердость последних не уступает твердости зерен шлифовального круга.

Кобальт не является карбидообразующим элементом, поэтому его введение приводит к увеличению температуры превращений, повышается химическая активность углерода, вольфрама и молибдена в феррите, что является причиной образования увеличенного количества дисперсных частиц, играющие роль фазовых упрочнителей при отпуске. Кроме того, повышается теплопроводность стали, так как кобальт является единственным легирующим элементом, приводящим к такому эффекту.

Влияние кобальта на свойства быстрорежущей стали становится заметным при его введении в сталь в количестве 5%. В связи с указанным, типичные концентрации кобальта составляют 5-8% и реже – 10-12%.

Наиболее распространенные кобальтовые стали представлены в табл. 5.

 

Таблица 5.Составы наиболее применяемых кобальтовых

быстрорежущих сталей.

Марка стали	Химический состав, % по массе
C	W	Mo	Cr	V	Co
Р9К5 Р9К10 Р18Ф2К5 Р6М5К5 Р6М5К8 Р2М9К8 Р12Ф4К5	0,9 0,9 0,77 0,88 0,90 0,90 1,35	9,0 9,0 18,0 6,2 6,2 1,8 12,2	до 1,0 до 1,0 до 1,0 5,0 5,0 8,6 до 1,0	4,0 4,0 4,0 4,0 4,1 4,0 4,5	2,3 2,3 1,5 1,9 1,9 2,0 4,0	5,0 10,0 5,0 5,0 8,0 8,2 4,8

 

Наряду с большими достоинствами по износостойкости, твердости, теплостойкости и теплопроводности, кобальтовые стали имеют существенные недостатки: относительно низкая пластичность, высокая склонность к обезуглероживанию, в процессе нагрева под горячее деформирование и закалку, сниженная прочность при изгибе. Последний параметр сильно зависит также и от других легирующих элементов. В частности, большей прочностью обладают кобальтовые стали Р2М9К8 ( ГПа) и Р6М5К6 ( ГПа), легированные молибденом, меньшей прочностью обладают вольфрамовые стали типа Р12Ф4К5 ( ГПа).

Быстрорежущие стали высокой теплостойкости (стали с интерметаллидным упрочнением). Данные стали характеризуются пониженным содержанием углерода (содержание С до 0,3%) и большим количеством легирующих элементов (В11М7К23, В14М7К25) (табл. 6). Они имеют твердость 69-70 НRC_э и теплостойкость 700-720^оС.

 

Таблица 6. Составы некоторых сталей высокой теплостойкости.

Марка стали	Химический состав, % по массе
C	W	Mo	Cr	V	Co
В11М7К23 В14М7К25	0,1 0,1	11,0 14,0	7,0 7,0	- -	0,5 0,5	23,0 25,0

 

Высокая теплостойкость, твердость и износостойкость сталей данной группы определяется повышением уровня температур, приводящих к фазовым превращениям, а также большой сопротивляемостью коагуляции интерметаллидной фазы.

Стали с интерметаллидным упрочнением имеют низкую обрабатываемость резанием в отожженном состоянии (38-40 НRC_э), их прочность близка к прочности кобальтовых сталей ( ГПа). Поэтому инструмент, изготовленный из таких сталей, рекомендуют для обработки заготовок из труднообрабатываемых материалов и титановых сплавов.

Экономнолегированные быстрорежущие стали. В связи с возрастающей дефицитностью вольфрама и молибдена – основных легирующих элементов, используемых при производстве быстрорежущих сталей, все большее применение находят стали с низким содержанием указанных элементов или не содержащие вольфрам, которые называют экономнолегированными. Среди сталей этого типа наибольшее применение получила сталь 11Р3М3Ф2, которая обладает достаточно высокими показателями по твердости (НRC_э 63-64), прочности ( ГПа) и теплостойкости (до 620^оС).

Находит применение низколегированная безвольфрамовая сталь 11М5Ф (1,06% С; 5,5% Мо; 4,0% Сr; 1,5% V). Эта сталь принадлежит к новому классу заэвтектоидных сталей, в отличие от традиционных ледебуритных сталей. Нагрев под закалку позволяет растворить все карбиды типа Ме₆С (что невозможно для ледебуритных сталей), что обеспечивает легированность и свойства стали 11М5Ф примерно на уровне соответствующих показателей стали Р6М5.

Сравнительные исследования режущих свойств инструмента из экономнолегированных сталей показали, что по режущим свойствам ближе всех к стали Р6М5 наряду с 11Р3АМ3Ф2 стоят Р2М5 и 11М5Ф.

Сталь 11Р3АМ3Ф2 более технологична в металлургическом производстве, однако из-за худшей шлифуемости ее применение ограничено инструментами простой формы, не требующими больших объемов абразивной обработки (пилы по металлу, резцы и т.п.).

С целью улучшения свойств быстрорежущей стали 70-х годах широко начали использовать технологию электрошлакового переплава. Карбидная неоднородность металла после электрошлакового переплава снижается на 1-2 балла, стойкость инструмента возрастает на 15-20%.

Электрошлаковый переплав повышает пластичность стали в горячем состоянии, что позволяет увеличивать выход годного при производстве малотехнологичных в металлургическом производстве “сверхбыстрорежущих” сталей. Стоимость сталей электрошлакового производства примерно на 30% выше стоимости таких же марок обычной технологии выплавки.

Порошковые быстрорежущие стали. Наиболее эффективные возможности повышения свойств и качества быстрорежущих сталей является технология производства методами порошковой металлургии. Высокие режуще свойства порошковых быстрорежущих сталей определяются особой мелкозернистой структурой, способствующей повышению прочности и уменьшению радиуса округления режущей кромки, улучшенной обрабатываемости резанием и особенно шлифованием.

Порошковая быстрорежущая сталь характеризуется однородной мелкозернистой структурой, равномерным распределением карбидной фазы, пониженной деформируемостью в процессе термической обработки, хорошей шлифуемостью, более высокими технологическими и механическими свойствами, чем стали аналогичных марок, полученных по традиционной технологии.

Существуют два различных способа получения порошковой быстрорежущей стали: распылением водой и азотом. Изготовление инструмента из водораспыленных порошков дешевле, однако качество металла ниже ввиду сильной окисляемости зерен порошка. Поэтому для получения высококачественного металла используют порошки, получаемые распылением азотом.

Промышленное производство порошковых быстрорежущих сталей в начале 80-х годов направлено на изготовление марок, являющихся аналогами сталей традиционной технологии. Опыт ряда зарубежных фирм США, Швеции, а также отечественных исследователей, показал, что новая технология позволяет существенно изменить схему легирования с целью направленного повышения тех или иных свойств стали, определяющих работоспособность инструмента.

Предлагают следующие принципы разработки новых составов порошковых быстрорежущих сталей:

1. Введение в состав стали до 5-7% ванадия (по массе) с целью увеличения объемной доли карбидов Ме₆С в стали до 15% и повышения износостойкости без ухудшения шлифуемости.

2. Повышение содержания углерода, выше его стандартного содержания в быстрорежущих сталях, т.е. введение углерода с “перенасыщением”, а также замена части углерода азотом, который вводят путем азотирования порошка непосредственно перед операцией “компактирования”.

Реализация указанных принципов позволяет использовать относительно низкие массовые доли вольфрама, молибдена и кобальта для получения максимальных значений твердости и теплостойкости. В частности, были разработаны порошковые быстрорежущие стали ДИ 100 (Р7М2Ф6) и ДИ 106 (Р9М2Ф5К6-М1) по ГОСТ 28393-89. Инструменты, изготовленные из указанных сталей, показали высокую эффективность в ходе многочисленных промышленных ис